正弦派生曲線彎道中水沙運(yùn)動(dòng)特性動(dòng)床試驗(yàn)

許 棟，白玉川，譚 艷

正弦派生曲線彎道中水沙運(yùn)動(dòng)特性動(dòng)床試驗(yàn)

許 棟1，白玉川1，譚 艷2

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院河流海岸工程泥沙研究室，天津 300072；2. 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222)

為了研究流量和彎曲度對(duì)彎道內(nèi)水流泥沙運(yùn)動(dòng)特性的影響，在無(wú)黏沙質(zhì)床面上進(jìn)行固定邊壁動(dòng)床彎道模型試驗(yàn)，測(cè)量不同彎曲度和不同流量組合條件下彎道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)特性、地形演變和輸沙強(qiáng)度．試驗(yàn)表明，水流動(dòng)力軸線在相鄰2個(gè)彎頂之間形成過渡段，彎頂下游凸岸一側(cè)存在局部低流速區(qū)，該區(qū)域最早出現(xiàn)邊灘形態(tài)；流量與床面形態(tài)之間的關(guān)系是非線性的，小幅度的流量變化引起較大的床面變化；微彎河道中淺灘、深槽分布規(guī)則，當(dāng)河道彎曲超過一定程度時(shí)，顯著影響床面的穩(wěn)定性，床面形態(tài)變得復(fù)雜；隨著彎曲度的增大，河道的輸沙能力有減小趨勢(shì)．

彎道；模型試驗(yàn)；水沙運(yùn)動(dòng)；地形演變；輸沙強(qiáng)度

彎曲型河流是自然界中最為常見的河流形態(tài)之一．與順直河道相比，彎道水流受離心力影響形成橫向水面超高(水面橫比降)，同時(shí)產(chǎn)生與縱向流動(dòng)正交的橫向水流環(huán)流運(yùn)動(dòng)(即二次環(huán)流)[1]．彎道內(nèi)的泥沙起動(dòng)、輸移規(guī)律和河床的演變規(guī)律都受到這種水流結(jié)構(gòu)的深刻影響，例如泥沙的橫向輸移和分選現(xiàn)象、受彎道曲率影響的邊灘與深槽分布以及與彎道曲率無(wú)關(guān)的交錯(cuò)沙洲的交錯(cuò)分布等[2]．認(rèn)識(shí)天然狀態(tài)下蜿蜒河流床面形態(tài)特征，對(duì)于計(jì)算河床阻力、判斷水流流路以及深泓線變化等具有十分重要的意義[3]．對(duì)彎道水動(dòng)力學(xué)和輸沙原理的探討，既是河流動(dòng)力學(xué)中一個(gè)富有科學(xué)意義的基礎(chǔ)理論課題，又因其與彎曲河流河床演變、河道整治工程問題密切相關(guān)而一直受到人們的關(guān)注．

模型試驗(yàn)是河流動(dòng)力學(xué)研究的重要手段，尤其是對(duì)于彎道水沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理這種復(fù)雜的水沙耦合作用問題．Whiting等[4]通過在厚10～15,cm的沙質(zhì)床面上插入阻水薄片形成大幅度(最大偏角大于90°)正弦派生曲線彎道，測(cè)量了水流流速、床面地形以及輸沙率在彎道內(nèi)的分布情況，試驗(yàn)流量為1,L/s，彎道波長(zhǎng)為2.5,m；Du等[5]利用粒子跟蹤測(cè)速(particle tracing velocimetry，PTV)系統(tǒng)測(cè)量了彎道動(dòng)床模型中的水流流速分布，研究了彎道表面流場(chǎng)與床面形態(tài)之間的關(guān)系，試驗(yàn)采用了不同流量(0.3～1.5,L/s)和不同的彎道形態(tài)(正弦派生曲線彎道，波長(zhǎng)：208～312,cm，最大偏角：12.5°～20°)．此外，Ishigaki等[6]、Patra等[7]、Yilmaz[8]、Kawai等[9]、Yasuharu等[10]、王平義等[11]、魏炳乾等[12]、張土喬等[13]利用室內(nèi)模型試驗(yàn)針對(duì)彎道環(huán)流結(jié)構(gòu)、流速重分布特征、水流流態(tài)、彎道輸沙能力、床面形態(tài)和河岸沖刷等進(jìn)行了研究，豐富了人們對(duì)彎道中復(fù)雜的水沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)．

Whiting、Du等[4-5]的試驗(yàn)流量和彎道曲率單一或變化范圍較小，不利于橫向比較．筆者通過在無(wú)黏沙質(zhì)床面上插入透明有機(jī)塑料板形成固定邊壁動(dòng)床彎道模型，對(duì)不同彎曲度(30°～110°)、不同流量(0.16～ 1.55,L/s)組合條件下彎道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)特性、彎道地形演變、輸沙強(qiáng)度等進(jìn)行測(cè)量，通過不同組次之間的橫向比較研究流量和彎曲度對(duì)彎道內(nèi)水流泥沙運(yùn)動(dòng)特性的影響．

1 試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)內(nèi)容

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在一個(gè)長(zhǎng)4,m、寬1.5,m、深30,cm的室內(nèi)水池內(nèi)進(jìn)行．水池底部由支柱支撐，形成試驗(yàn)平臺(tái)，水池坡降能夠自由調(diào)節(jié)．水池內(nèi)鋪放厚度10,cm的模型沙，將厚2,mm的透明有機(jī)塑料板插入床面泥沙中作為固定河岸，形成固定邊壁動(dòng)床彎道模型．在水池的尾部設(shè)水箱儲(chǔ)存試驗(yàn)用水，水箱高度低于水池底高程，水箱內(nèi)設(shè)有潛水泵．試驗(yàn)時(shí)開啟潛水泵，將水流輸送到模型河道入口，經(jīng)消能柵整流后水流進(jìn)入河道，并在重力作用下沿河道向下游流動(dòng)，經(jīng)尾門溢流進(jìn)入沉沙池，泥沙沉降后水流進(jìn)入水箱，形成水流的自循環(huán)．水泵最大流量為2,L/s，可以通過流量開關(guān)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)．試驗(yàn)裝置如圖1所示．

圖1 試驗(yàn)裝置平面布置Fig.1 Layout of experiment device

模型沙選用非均勻河沙，中值粒徑為0.73,mm，非均勻系數(shù)為1.77，屬于中粗沙．值得注意的是，按照動(dòng)床模型相似理論，模型沙也應(yīng)遵守幾何相似的原理，但是在本試驗(yàn)中如果模型沙粒徑按幾何比尺縮小，則會(huì)使模型沙的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，這使得模型沙的選擇變得困難．為了著重體現(xiàn)推移質(zhì)泥沙的運(yùn)動(dòng)，在試驗(yàn)中選擇天然沙作為試驗(yàn)用沙，這使得自然塑造成的模型小河與天然河道的河相關(guān)系不是正態(tài)關(guān)系，而是變態(tài)關(guān)系．

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)在床面上插入透明有機(jī)塑料板，形成彎道形態(tài)，通水后水流在彎道內(nèi)流動(dòng)，并引起河道內(nèi)床面形態(tài)的演變，試驗(yàn)過程中測(cè)量彎道內(nèi)的水流流速和床面地形，研究不同曲率對(duì)彎道水動(dòng)力特性和河床演變規(guī)律的影響．主要試驗(yàn)步驟包括：①首先將床面泥沙粗略平整，在水池內(nèi)加水至淹沒泥沙，然后在水下將泥沙鋪至水平，放水后調(diào)整水池支架的高度，形成均勻坡降；②在床面上根據(jù)計(jì)算出的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)彎道兩岸進(jìn)行放樣，標(biāo)記出兩岸的位置，然后在該位置處插入透明有機(jī)塑料板，形成固定河岸；③由于彎道兩壁底部未形成密封，水流在試驗(yàn)過程中將從兩壁底部向彎道外部的泥沙滲流，引起水流流量的損失，為了減小滲流，試驗(yàn)前向水池內(nèi)充水，至泥沙中孔隙水飽和；④啟動(dòng)水泵，向彎道中緩慢加水，并逐漸增大至設(shè)計(jì)流量，流量變化要緩慢，以防止水流沖積引起床面形態(tài)的劇烈變化，流量測(cè)量采用體積法；⑤當(dāng)彎道內(nèi)水位與水池內(nèi)水位大致相同時(shí)，彎道兩壁底部滲流基本停止，此時(shí)投放示蹤粒子，利用PTV系統(tǒng)測(cè)量彎道水流表面流場(chǎng)；⑥根據(jù)試驗(yàn)需要，每過一段時(shí)間進(jìn)行一次地形測(cè)量，測(cè)量時(shí)首先緩慢減小流量，待水流停止后利用測(cè)針對(duì)彎道內(nèi)的地形進(jìn)行逐個(gè)斷面測(cè)量，根據(jù)地形變化的緩急情況選擇測(cè)量間距，另外，根據(jù)地形變化的快慢決定測(cè)量時(shí)間間隔；⑦試驗(yàn)過程中每5 min從沉沙池內(nèi)取出沉淀泥沙，測(cè)量體積后放入彎道入口處，以維持彎道中泥沙總量的平衡，避免河床的持續(xù)下切；⑧一組試驗(yàn)完畢，拆除彎道兩壁，重新進(jìn)行地形平整，重復(fù)①～⑦，進(jìn)行下一組次試驗(yàn)．

試驗(yàn)中水流流速利用PTV系統(tǒng)獲得，另外根據(jù)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡分析彎道中的水流動(dòng)力軸線．床面地形通過測(cè)針測(cè)量，測(cè)點(diǎn)在垂直于河道走向的步長(zhǎng)為0.5,cm，沿河道走向的步長(zhǎng)根據(jù)地形變化的緩急情況，測(cè)量間距為5～10,cm．

1.3試驗(yàn)內(nèi)容

沖積河流的河灣一般可以概化為如圖2所示的等寬渠道．圖中描述河灣形態(tài)的參數(shù)包括河灣的直線波長(zhǎng)λ、曲線波長(zhǎng)M、河道中心線最大偏角ω、波幅A和河寬B．河道中心線可以描述為當(dāng)?shù)厍芯€偏角φ對(duì)曲線長(zhǎng)度s的函數(shù)，即φ=φ(s )．

試驗(yàn)中采用等寬河道進(jìn)行試驗(yàn)，河道中心線利用正弦派生曲線進(jìn)行概化[14]得

圖2 彎曲河道幾何形態(tài)示意Fig.2 Schematic of the geometric shape of meandering channels

試驗(yàn)過程中將曲線方程轉(zhuǎn)換至平面直角坐標(biāo)系中，并通過一系列控制點(diǎn)設(shè)置初始河道．

采用最大偏角分別為30°、60°和110°的正弦派生曲線彎道，對(duì)每種彎道形態(tài)利用2～3個(gè)不同的流量進(jìn)行試驗(yàn)，共進(jìn)行8個(gè)組次試驗(yàn)，主要試驗(yàn)參數(shù)見表1．

表1 試驗(yàn)組次和主要試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Testing runs and main testing parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1彎道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)特性

不同彎曲度的彎道中典型的表面流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果如圖3所示．從圖3中可以看出，PTV系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果體現(xiàn)了彎道中表面水流流速分布的基本特征，在彎頂上游附近靠近凸岸處的流速最大，而在水流越過彎頂后，頂沖在彎頂下游的凹岸上，即水流動(dòng)力軸線由凸岸擺向凹岸，并從此緊貼凹岸向下游流動(dòng)，直至下一個(gè)彎頂．水流動(dòng)力軸線在相鄰2個(gè)彎頂之間形成過渡段，凸岸一側(cè)在彎頂下游存在局部低流速區(qū)，該區(qū)域床面上將最早出現(xiàn)泥沙淤積，形成邊灘．試驗(yàn)過程中，示蹤粒子投放后大部分將向水流動(dòng)力軸線處聚集，這一方面是由于彎道環(huán)流引起的，彎道環(huán)流在床面處由凹岸流向凸岸，而在水面處由凸岸流向凹岸，形成水流垂直于河道方向的橫向流速；另一方面，由于動(dòng)力軸線流速大于其兩側(cè)的流速，根據(jù)水流運(yùn)動(dòng)的伯努利原理，水流對(duì)粒子內(nèi)側(cè)的壓力則小于兩側(cè)的壓力，形成壓力差，使得兩側(cè)粒子向軸線處聚攏而來．由于彎道中示蹤粒子的聚集現(xiàn)象，示蹤粒子有時(shí)難以布滿整個(gè)彎道水流表面，粒子缺失處不能有效地測(cè)量到流速數(shù)據(jù)，因此，在PTV系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)后處理過程中，對(duì)采集到的原始流速數(shù)據(jù)進(jìn)行了插值處理，在一定程度上降低了測(cè)量的精度．

圖3 彎道內(nèi)典型的表面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)(單位：cm)Fig.3 Typical velocity distribution in meandering channels(unit：cm)

根據(jù)彎道水流流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，參照視頻圖像中示蹤粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡，繪制彎道水流動(dòng)力軸線如圖4和圖5所示．同一彎道中，當(dāng)流量不同時(shí)，水流動(dòng)力軸線的位置也不相同，流量較小時(shí)，水流動(dòng)力軸線在彎頂處更加貼近凹岸，且水流在凹岸頂沖點(diǎn)偏向上游；由于不同流量下彎道內(nèi)水流平均流速變化不大(見表1)，流量的變化反映水深的變化，圖4和圖5反映的規(guī)律為：隨著水深的增大，水流動(dòng)力軸線更加偏向河道中心線．在同一彎道、相同流量的試驗(yàn)過程中，隨著彎道內(nèi)床面的變化，表面流場(chǎng)的分布有較大的調(diào)整，在試驗(yàn)經(jīng)過60,min后，水流動(dòng)力軸線更加貼近彎道的凹岸，而且在相鄰兩彎頂之間由一岸調(diào)整到另一岸的橫向變化梯度更大．這主要是由于在彎道水流結(jié)構(gòu)的作用下，彎道內(nèi)的床面在凹岸形成深槽而在凸岸形成邊灘，從而加劇了水流向凹岸的偏斜．

圖4 60°彎道中不同時(shí)刻和不同流量下的水流動(dòng)力軸線Fig.4 Dynamic axis of flow in 60°meandering channels at different times with various discharges

圖5 110°彎道中不同時(shí)刻和不同流量下的水流動(dòng)力軸線Fig.5 Dynamic axis of flow in 110°meandering channels at different times with various discharges

2.2彎道內(nèi)的床面形態(tài)演變規(guī)律

在河流的動(dòng)床模型試驗(yàn)中，由于床面具有可沖性，水流的運(yùn)動(dòng)將引起床面形態(tài)的演變，而床面形態(tài)的演變將反過來影響水流的運(yùn)動(dòng)，形成水流與床面的耦合作用．當(dāng)來流量、地形坡降等邊界條件長(zhǎng)期保持不變時(shí)，水流與床面耦合作用的結(jié)果就是形成“均衡狀態(tài)”的河道地形．對(duì)于順直河流，“均衡狀態(tài)”的河道地形主要有3種沙坡形式：沙紋、沙壟和沙浪，其形態(tài)一般較為規(guī)則[15]；另外對(duì)于寬深比較大的沖積性河流，在河道兩岸附近還可能存在交錯(cuò)分布的交錯(cuò)沙洲，使得河流雖然整體保持順直，但水流流路出現(xiàn)彎曲．無(wú)論是沙坡還是交錯(cuò)沙洲，其產(chǎn)生原因都與河床底部水流的不穩(wěn)定性有關(guān)，這些床面形態(tài)既存在于順直河道中，也存在彎曲河道中，其在彎曲河道中的分布與彎道曲率無(wú)關(guān)[16]．除上述地形外，彎道中還存在與曲率直接相關(guān)的床面形態(tài)，即邊灘，一般出現(xiàn)在凸岸附近．因此實(shí)際的彎道中既存在與曲率相關(guān)的邊灘，又存在與曲率無(wú)關(guān)的交錯(cuò)沙洲和沙坡形態(tài)，這些因素使得彎道內(nèi)的床面形態(tài)變得復(fù)雜[16]，在不同的水流條件下，某一種因素可能在床面形態(tài)中占主導(dǎo)地位．

最大偏角為30°的彎道內(nèi)的地形變化如圖6所示，圖中的參考高程(即零點(diǎn)高程)為整個(gè)彎道內(nèi)床面高度的平均高程．在水流作用1,h左右，彎道內(nèi)的床面形態(tài)基本達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)床面起伏變化的幅度達(dá)到穩(wěn)定值約為±2,cm．從圖6中可以看出，在彎頂處凸岸稍偏上游處存在邊灘；在凹岸處則出現(xiàn)深槽，一般深槽的位置與淺灘相比更偏向上游，與淺灘呈交錯(cuò)分布．淺灘和深槽的這種分布形式與水流動(dòng)力軸線的位置互相適應(yīng)．隨著時(shí)間變化，彎頂處的淺灘和深槽有向下游移動(dòng)的趨勢(shì)，如圖6(a)和(b)所示；隨著流量的增大，深槽的范圍有所增大，如圖6(a)和(c)所示．

圖6 30°彎道內(nèi)實(shí)測(cè)床面地形(高程z單位：cm)Fig.6 Topography measured in 30°meandering channels Fig.6 (unit of elevation-z：cm)

為了更清楚地比較不同試驗(yàn)組次中的床面形態(tài)，將彎道內(nèi)左岸(left bank)和右岸(right bank)床面高程z繪制成隨河道中心線處距離s變化的曲線，如圖7所示．其中床面高程z的參考高程為床面最低高程，這點(diǎn)與床面高程等值線圖中的z不同．從圖7(a)中左右岸的床面高程曲線上可以清楚看出彎頂處深槽和淺灘的分布，每個(gè)淺灘均與一個(gè)深槽相對(duì)應(yīng)，且深槽的位置與淺灘相比略向上游偏移．左岸和右岸床面高程曲線在變化趨勢(shì)上一致，區(qū)別僅僅是相差半個(gè)周期的相位(見圖7(a))．圖7(b)中給出了彎道內(nèi)左岸床面形態(tài)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，可以看出，在經(jīng)過30,min水流作用之后，彎道內(nèi)的床面除了波動(dòng)幅度有所增大外，有整體向下游遷移的趨勢(shì)．模型彎道的曲線波長(zhǎng)為1,m，在床面形態(tài)曲線中波長(zhǎng)為1,m的大尺度波動(dòng)反映的就是彎道中邊灘和深槽之間的交替，這種變化與彎道曲率直接相關(guān)；而床面形態(tài)曲線中波長(zhǎng)小于1,m的高頻的振蕩主要反映2方面的影響因素：交錯(cuò)沙洲和沙坡形態(tài)；從圖7(b)還可以看出，床面在向下游遷移的同時(shí)不規(guī)則的交錯(cuò)沙洲和沙紋形態(tài)逐漸衰減，水流和床面的相互適應(yīng)形成了對(duì)床面高頻振蕩的濾波作用．

圖7 30°彎道近岸床面高程的沿程變化Fig.7 Streamwise variation of near-bank bed elevation in 30° meandering channels

從圖7(c)可以看出，當(dāng)流量由0.68,L/s增大到1.55,L/s后，約1 h后的床面形態(tài)除了波動(dòng)幅值有所變化外基本相同，流量增大1倍并沒有顯著改變床面的形態(tài)，另外這也說明床面在1,h之內(nèi)大幅度的變化已經(jīng)完成．

最大偏角為60°的彎道內(nèi)的地形變化如圖8所示，與最大偏角為30°的彎道地形不同的是淺灘和深槽的位置出現(xiàn)在彎頂下游附近；另外，在彎道凸岸淺灘的形狀較為狹長(zhǎng)，從一個(gè)彎頂下游一直延伸到下一個(gè)彎頂附近．彎道內(nèi)地形的整體沿程坡降較大，上游床面整體高于下游床面．

圖8 60° 彎道內(nèi)實(shí)測(cè)床面地形(高程z單位：cm)Fig.8 Topography measured in 60°meandering channels (unit of elevation-z：cm)

同一流量下彎道內(nèi)床面形態(tài)隨時(shí)間的變化如圖9(a)所示．在水流的沖刷作用下，床面高程有整體下降的趨勢(shì)，而波動(dòng)幅度隨時(shí)間的變化不大，這說明在大流量(1.55 L/s)情況下，彎道內(nèi)的地形變化在試驗(yàn)開始階段較為強(qiáng)烈，而床面在短時(shí)間內(nèi)(＜7,min)就能夠接近準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)；隨著彎道內(nèi)淺灘和深槽基本形態(tài)的形成，水流和床面逐漸相互適應(yīng)，床面變化的速度也減慢下來．床面地形減速變化的這種現(xiàn)象在自然界的河流中同樣存在，當(dāng)水流條件突然改變時(shí)，如洪水作用，河道內(nèi)的床面形態(tài)會(huì)迅速調(diào)整，在短時(shí)間內(nèi)變得與水流基本適應(yīng)；在河灣演變的理論模型中，一般將彎道中的床面視為始終處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)[17]，即當(dāng)水流改變時(shí)彎道內(nèi)的地形立刻調(diào)整為與水流相適應(yīng)的準(zhǔn)穩(wěn)定的狀態(tài)，其依據(jù)就是地形變化所需的時(shí)間尺度遠(yuǎn)小于河岸運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度，在河岸微小移動(dòng)的過程中地形變化即已完成．

流量對(duì)地形的影響如圖9(b)所示．當(dāng)流量由0.16,L/s增大至0.68,L/s時(shí)，流量變化超過4倍，約1,h后的床面形態(tài)變化不大；而當(dāng)流量由0.68,L/s增大至1.55,L/s時(shí)，流量變化僅為2倍，床面形態(tài)卻發(fā)生了較大的變化，這說明流量(或水深)與床面形態(tài)之間的關(guān)系并非是線性的，在某些情況下，小幅度的流量變化能夠引起較大的床面變化，而在其他情況下床面形態(tài)對(duì)流量變化并不敏感．

圖9 60° 彎道近岸床面高程的沿程變化Fig.9 Streamwise variation of near-bank bed elevation in Fig.9 60°meandering channels

最大偏角為110°的彎道內(nèi)的地形變化如圖10所示．在急彎河道內(nèi)，地形的沿程變化較為強(qiáng)烈，彎道中除了與曲率直接相關(guān)的淺灘和深槽外，還存在沙紋、交錯(cuò)沙洲等成型淤積體，增加了彎道內(nèi)床面形態(tài)的不規(guī)則性．另外，地形隨時(shí)間的變化也較為明顯，淺灘和深槽的移動(dòng)范圍較大．當(dāng)流量為0.68,L/s時(shí)，淺灘和深槽在彎道內(nèi)的位置偏向彎頂?shù)南掠?，如圖10(a)所示；而流量增大至1.55,L/s時(shí)，淺灘和深槽的位置略偏向彎頂上游，如圖10(b)所示．

圖10 110°彎道內(nèi)實(shí)測(cè)床面地形(高程z單位：cm)Fig.10 Topography measured in 110°meandering channels (unit of elevation-z：cm)

圖11 110°彎道左、右岸近岸床面高程的沿程變化Fig.11 Influence of flow rate and time on near-bank bed Fig.11 elevation at both banks in 110°meandering channels

急彎河道內(nèi)地形的不規(guī)則性可以從圖11中彎道兩岸的地形曲線看出．設(shè)計(jì)彎道的曲線波長(zhǎng)為2.5,m，地形曲線中大尺度的沿程波動(dòng)與彎道曲率變化相關(guān)聯(lián)，波長(zhǎng)為2.5,m，大尺度的邊灘分布在彎頂?shù)纳嫌位蛳掠胃浇穗S曲率變化的周期性波動(dòng)外，急彎河道內(nèi)的地形還存在較顯著的小周期波動(dòng)，體現(xiàn)了邊灘與交錯(cuò)沙洲、沙紋形態(tài)的共存．對(duì)比圖11與圖7(a)可以看出，110°急彎中的地形起伏比彎曲度較小的30°彎道中復(fù)雜得多，這說明并不是曲率越大，彎道內(nèi)淺灘、深槽的分布就越明顯．當(dāng)河道彎曲超過一定程度時(shí)，將會(huì)顯著影響床面的穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性和彎道曲率共同作用于床面形態(tài)，使得急彎河道內(nèi)的床面形態(tài)變得復(fù)雜．

110°彎道內(nèi)流量對(duì)床面形態(tài)的影響如圖12(a)所示．當(dāng)流量由0.68,L/s增大至1.55,L/s時(shí)，彎道內(nèi)的床面形態(tài)變化不大，這點(diǎn)與最大偏角為60°的彎道不同．床面形態(tài)隨時(shí)間的變化如圖12(b)所示，從圖中可以看出，在30,min之內(nèi)床面整體形態(tài)已經(jīng)基本穩(wěn)定，因此在30,～120,min之間床面波動(dòng)的幅值和波長(zhǎng)變化不大，隨著床面形態(tài)的演變，淺灘和深槽的位置有所改變．

圖12 110° 彎道內(nèi)流量和時(shí)間對(duì)近岸床面高程的影響Fig.12 Influence of flow rate and time on near-bank bed Fig.1 1 elevation in 110° meandering channels

2.3彎道輸沙能力分析

試驗(yàn)過程中，模型河道內(nèi)的泥沙通過尾門后在沉沙池內(nèi)沉降，通過測(cè)量沉泥沙內(nèi)收集到的泥沙的體積，獲得彎道整體的向下游的輸沙能力．試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，除在深槽邊緣受水流紊動(dòng)的影響有局部泥沙懸揚(yáng)外，大部分泥沙以推移質(zhì)的形式向前運(yùn)動(dòng)，懸揚(yáng)后的泥沙在離開深槽后又很快回落到床面，恢復(fù)推移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式．彎道內(nèi)輸沙率隨時(shí)間的變化如圖13所示．整體來看，輸沙率隨著時(shí)間變化有先增大后減小的趨勢(shì)．在試驗(yàn)開始階段，水流與床面形態(tài)不相適應(yīng)，彎道內(nèi)的地形在水流作用下大幅度調(diào)整，彎道內(nèi)具有較大的輸沙率，泥沙向尾門輸移，但由于尾門稍高于床面，推移質(zhì)泥沙堆積在尾門附近，此時(shí)沉沙池內(nèi)并未收集到泥沙，輸沙率測(cè)量值為零；當(dāng)泥沙堆積達(dá)到尾門高度時(shí)，泥沙開始越過尾門進(jìn)入沉沙池．由于床面調(diào)整在試驗(yàn)開始階段較為強(qiáng)烈，開始階段的輸沙率也較大，隨著水流和床面的相互協(xié)調(diào)，輸沙率逐漸穩(wěn)定下來．可以認(rèn)為，由輸沙不平衡所產(chǎn)生的河床變形是朝著使變形停止的方向發(fā)展的，這一現(xiàn)象稱為河床和水流的自動(dòng)調(diào)整作用[1]．流量對(duì)于輸沙率有較大的影響，如圖13(a)所示，流量的增大不僅增大了平衡狀態(tài)下彎道的輸沙率，也增大了開始階段輸沙率隨時(shí)間變化的幅度．同一流量(0.68,L/s)下不同彎曲度彎道內(nèi)的輸沙率隨時(shí)間變化如圖13(b)所示，從圖中可以看出，隨著彎曲度的增大，河道的輸沙能力有減小的趨勢(shì)，這主要是由于河道的彎曲使得水流的流路變長(zhǎng)，沿程坡降減小，水流阻力損失增大，從而導(dǎo)致水流輸沙效率降低．

圖13 彎道內(nèi)體積輸沙率隨時(shí)間的變化Fig.13 Time history curves of bulk sediment discharge in meandering channels

3 結(jié) 論

(1) 在彎頂上游附近靠近凸岸的流速最大，水流動(dòng)力軸線在相鄰兩個(gè)彎頂之間形成過渡段，彎頂下游凸岸一側(cè)存在局部低流速區(qū)，該區(qū)域床面上將最早出現(xiàn)邊灘形態(tài)．試驗(yàn)過程中，示蹤粒子在彎道環(huán)流的作用下向水流動(dòng)力軸線處聚集．

(2) 流量與床面形態(tài)之間的關(guān)系并非是線性的，在某些情況下，小幅度的流量變化能夠引起較大的床面變化，而在其他情況下床面形態(tài)對(duì)流量變化并不敏感．

(3) 試驗(yàn)中30°彎道中淺灘、深槽的分布最為規(guī)則，當(dāng)河道彎曲超過一定程度時(shí)，將會(huì)顯著影響床面的穩(wěn)定性，使得急彎河道內(nèi)的床面形態(tài)變得復(fù)雜．

(4) 隨著彎曲度的增大，水流的流路變長(zhǎng)，阻力損失增大，使得河道的輸沙能力有減小的趨勢(shì)．

(5) 試驗(yàn)中僅針對(duì)微型尺度模型彎道進(jìn)行水沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理探討，并不存在實(shí)際的原型河流，模型的建立也沒有考慮相似準(zhǔn)則．此外，模型河道的坡降、水流阻力等一系列復(fù)雜條件也與天然河流存在較大差異，這些差異使得試驗(yàn)結(jié)果并不能按照某一相似比直接推廣到實(shí)際河流中．

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Experiment on Characteristics of Flow and Sediment Movement in Sine-Generated Meandering Channels with Movable Bed

XU Dong1，BAI Yu-chuan1，TAN Yan2
(1. Institute for Sediment on River and Coast Engineering，School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. China First Harbour Consultants Company Limited，Tianjin 300222，China)

To investigate the influence of channel sinuousness and flow rate on characteristics of flow and sediment movement in meandering channels，experiments were carried out on the meandering channel model established on a non-coherent sandy bed with fixed sidewalls and movable bed，in which the flow field，topography and sediment transport rate were measured with combination of various sinuousness and flow rates. Test results show that the dynamic axis of flow has a transition section between two adjacent meander crests and there is a local area with low velocity downstream the meander crest near the convex bank，where sand bars first appear on the bed. There isa nonlinear relationship between flow rate and bed topography，and a small change of flow rate may lead to large bed changes. Mildly meandering channels have a regular distribution of point bars and pools and when the channel sinuousness exceeds the critical value，the bed stability will be significantly influenced with complex bed configuration. The sediment transport capability tends to shrink with the increase of channel sinuousness.

meandering channel；model test；flow and sediment movement；topography evolution；sediment transport rate

TV142

A

0493-2137(2010)09-0762-09

2009-05-12；

2009-08-28.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007CB714101)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50809045).

許 棟（1980— ），男，講師，博士，xudong@tju.edu.cn.

白玉川，ychbai@tju.edu.cn.